Wie entstehen hochkomplexe Quantenzustände – und wie lässt sich ihre Komplexität gezielt kontrollieren? Mit dieser grundlegenden Frage befasst sich das Forschungsprojekt QPhysComplex/Quantum Complexity von Dr. Philippe Faist, Senior Researcher am Dahlem Center for Complex Quantum Systems der Freien Universität Berlin. Ziel des Projekts ist es, die theoretischen Grundlagen für die nächste Generation von Quantencomputern zu stärken und das Verständnis stark verschränkter quantenphysikalischer Systeme entscheidend voranzubringen.

„Die physikalische Größe ‚Quantum Complexity‘ beschreibt, wie viele elementare Schritte notwendig sind, um bestimmte Quantenzustände oder -operationen zu erzeugen. Diese Größe ist für das Design leistungsfähiger Quantencomputer ebenso zentral wie für grundlegende Fragestellungen der modernen Physik. Unser Projekt QPhysComplex verfolgt zwei Schlüsselziele: Zum einen sollen die fundamentalen Grenzen und praktischen Möglichkeiten beim Erzeugen komplexer Quantenzustände auf realer Quantenhardware bestimmt werden. Zum anderen werden neue theoretische Methoden entwickelt, um ein tieferes Verständnis der physikalischen Ausprägungen von Quantenkomplexität zu erlangen“, erklärte der Quantenphysiker.

Ein Kernziel des Projekts ist, allgemein gültige technische Mindestvoraussetzungen für Quanteninformationsverarbeitung und -fehlerkorrektur zu definieren - etwa beim Rechenaufwand oder der Qubits. Darüber hinaus erforscht das Projekt den Zusammenhang zwischen Quantenkomplexität und quantenphysikalischem Chaos. Untersucht wird, inwieweit Quantenkomplexität selbst eine Rolle in den fundamentalen Gesetzen der Physik spielt, insbesondere in der Quantenthermodynamik. Diese Erkenntnisse sollen neue Ansätze ermöglichen, um bislang schwer zugängliche, stark verschränkte Phasen der Materie theoretisch zu beschreiben. Das Forschungsteam um Philippe Faist hofft, mit den neuen Erkenntnissen künftig neue Architekturen für verlässliches Quantenrechnen entwickeln zu können und real nutzbare Quantencomputer schneller Realität werden zu lassen.

Über Philippe Faist

Dr. Philippe Faist studierte Physik an der ETH Zürich, wo er 2011 seinen Master abschloss und 2016 bei Prof. Renato Renner promovierte. Seine Dissertation begründete ein grundlegendes Rahmenwerk für die Quantenthermodynamik. Von 2016 bis 2019 forschte er als Postdoctoral Scholar am Institute for Quantum Information and Matter am Caltech, USA, und erweiterte seine Expertise um Quantenfehlerkorrektur, Vielteilchenphysik und die Ressourcentheorie thermodynamischer Prozesse. Anschließend wechselte er an das Dahlem Center for Quantum Systems der Freien Universität Berlin, wo er 2024 zum unbefristeten Senior Researcher ernannt wurde. Faists Forschung verbindet grundlegende Theorie mit konkreten Anwendungen für Quantencomputer und leistet damit einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis komplexer quantenphysikalischer Systeme.